1.1.3. Графический расчет режима работы стабилитрона

Наиболее удобным методом расчета статического режима работы нелинейной цепи является графический метод.

В данном случае графическое построение сводится к нало­жению вольт-амперных характеристик линейной (Е, R) и нелиней­ной (стабилитрон) частей схемы (рис. 1.11, а). Линейная часть схемы, в которую включена и активная нагрузка R_н, изображена на рис. 1.11, б и является частью всей схемы стабилизации, располо­женной левее зажимов а, b. Вольт-амперная характеристика линей­ной части схемы отражает зависимость напряжения на ее зажимах а, b от забираемого от нее тока I. Как для любой линейной цепи, это прямая, соединяющая точку, соответствующую режиму холо­стого хода [U = E_хх = ER_н / (R_г + R_н)], с точкой, соответствующей режиму короткого замыкания [U = 0; I = I_кз = E/R_г].

Наложение этой прямой на характеристику стабилитрона (рис. 1.12) позволяет найти точку их пересечения B, которая и бу­дет рабочей точкой стабилитрона. Для этой точки выполняется ра­венство тока, отдаваемого линейной частью, и тока, потребляемого стабилитроном при равенстве напряжения на зажимах а, b и стаби­литроне (рис. 1.11).

Рис.1.11. Нелинейная и линейная части схемы па­раметрического стабилиза­тора

Рис.1.12. Графический расчет режима работы стабилизатора

В приведенном примере нагрузка стабилитрона линейна. Это и позволило достаточно просто построить вольт-амперную харак­теристику части схемы стабилизатора, расположенной левее точек а, b на рис. 1.11, так как она получилась линейной.

Другим примером, приводящим также к линейной схеме, яв­ляется стабилизатор напряжения на нагрузке, потребляющей неиз­менный ток I_н (рис. 1.13).

Напряжение на зажимах а, b этой схемы определяется соот­ношением:

U = E  IнRг  IRг.

(1.1.16)

Следовательно, характеристика линейной части схемы пред­ставляет собой прямую, соединяющую точку с координатами [(Е  I_нR_г); I = 0] с точкой с координатами [U = 0; I = E / R_г  I_н] (рис. 1.14).

Рис.1.13. Стабилизатор напряжения при неизменном токе нагрузки

Рис.1.14. Графический расчет суммарной нестабильности выходного напряжения

Рассуждения, приведенные выше, применяют и для опреде­ления показателей схемы стабилизации при больших изменениях тока нагрузки и напряжения питания стабилизатора. Суммарная нестабильность (максимальная) выходного напряжения определя­ется в этом случае двумя крайними положениями рабочей точки на характеристике стабилитрона.

Наименьшее выходное напряжение будет при наименьшем выходном напряжении и наибольшем токе нагрузки. Если меняется и сопротивление R_г, то минимуму выходного напряжения будет соответствовать прямая, полученная при R_гmax. Построение, прове­денное для этого режима (рис. 1.15), дает рабочую точку a, опреде­ляющую левую границу рабочего участка характеристики стабили­трона.

Наибольшее напряжение на выходе получится при макси­мальном выходном напряжении, минимальном токе нагрузки и ми­нимальном сопротивлении резистора. Соответствующая макси­мальному режиму рабочая точка b характеризует правую границу рабочего участка характеристики стабилитрона.

Нестабильность выходного напряжения схемы при заданных максимальных и минимальных значениях Е, I_н и R_г не выходит за пределы (U_maxU_min) и, следовательно, суммарная относительная нестабильность стабилизированного напряжения определяется ко­эффициентом

k = (Umax  Umin) / (Umax + Umin).

(1.1.17)

Рис. 1.15. Графический расчет режима работы стабилитрона.

Учет влияния изменения гасящего сопротив­ления

Коэффициент полезного действия простой схемы стабилизации

 = Pн/Pвх = IнU / [(Iн + Iст)E]

(1.1.18)

получается небольшим, порядка (2030) %, что объясняется значи­тельными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стаби­литроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих малую мощность.